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Pegoraro, Paola (2009) Effetto della funzionalitĂ  renale ed epatica sulla cinetica di disposizione dei farmaci e le interazioni farmacocinetiche conseguenti ad inibizione del metabolismo. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

SUMMARY


This study analyzes the effect of renal and hepatic insufficiency on metabolic drug disposition and drug-drug interactions. In particular, we evaluated:
1.the effect of renal failure on hepatic drug metabolism;
2.the effect of liver dysfunction on pharmacokinetic interactions consequent upon inhibition of drug metabolizing enzymes.

1- Background and Objectives: The effect of chronic renal failure (CRF) on the pharmacokinetics of lidocaine, a drug cleared almost exclusively by hepatic metabolism, has thus far only been evaluated in patients undergoing regular hemodialysis. This study had 2 objectives: (a) to investigate the effect of CRF on the pharmacokinetics of lidocaine in both patients undergoing hemodialysis and patients not undergoing hemodialysis and (b) to test the effects of plasma from the patients examined and of lidocaine metabolites possibly accumulated in vivo on lidocaine biotransformation in vitro.
Methods: In a clinical investigation we studied the kinetics of lidocaine and its metabolites, monoethylglycinexylidide (MEGX) and glycinexylidide (GX), after intravenous injection of 1 mg/kg lidocaine in 15 healthy volunteers (creatinine clearance [CLcr] >80 ml/min · 1.73 m2), 10 subjects with moderate renal insufficiency (CLcr between 30 and 60 ml/min · 1.73m2), 10 subjects with severe renal insufficiency (CLcr<30 ml/min · 1.73 m2), and 10 functionally anephric patients undergoing long-term hemodialysis. In experiments in vitro we determined the effects of plasma and GX on the formation rate of the primary lidocaine metabolite, MEGX, by use of human liver microsomes.
Results: In patients not undergoing hemodialysis, lidocaine kinetic parameters were altered in proportion to the degree of renal function impairment, but only in patients with severe renal insufficiency were differences statistically significant: clearance was about half that of control subjects (mean ± SD, 6.01 ± 2.54 ml/min · kg versus 11.87±2.97 ml/min · kg; P<0.001), and half-life was approximately
doubled (4.55 ± 1.71 hours versus 2.24 ± 0.55 hours, P < 0.001). No such alterations were observed in patients undergoing regular hemodialysis, whose values were similar to those of the control group. The steady-state volume of distribution and MEGX levels were independent of renal function, whereas GX levels were more than double those of control subjects (P<0.05) in all CRF groups. No inhibitory effect of plasma was observed, for any of the subjects examined, on lidocaine biotransformation in vitro. GX was found to be a competitive inhibitor, but its apparent inhibition constant value (52 ± 6 µmol/l) was 2 orders of magnitude higher than its concentrations in vivo.
Conclusions: Our in vivo findings have both clinical and methodologic implications: (a) Lidocaine dose adjustment may be required in patients with severe renal insufficiency who are not receiving hemodialysis. (b) Results of studies evaluating the effect of CRF on metabolic drug disposition are not of general validity, unless both patients undergoing hemodialysis and patients not undergoing hemodialysis have been examined.
Our in vitro observations exclude that impairment of lidocaine disposition is the result of direct inhibition of metabolizing enzymes by accumulated metabolites or uremic toxins. Alternative mechanisms, suggested by the results of recent in vitro studies, are discussed.


2- Background and Objectives: In vivo inhibition of cytochrome P450 (CYP) 1A2 by the reversible inhibitor fluvoxamine causes a reduction in the clearance of CYP1A2 substrates, the magnitude of which decreases in proportion to the degree of liver dysfunction, regardless of the clearance characteristics (flow-dependent or capacity-limited) of the drug involved. A main question remains to be addressed in order to assess whether this is a general phenomenon, i.e. whether the magnitude of the inhibitory effect is dependent on liver functional status irrespective the mechanism (reversible or irreversible) of CYP inhibition. In order to resolve this question, we evaluated the effect of liver cirrhosis on the inhibition of the
metabolic disposition of quinine, a probe of CYP3A, by the mechanism-based, quasi-irreversible inhibitor erythromycin.
Methods: The study was carried out in 10 healthy volunteers and 20 cirrhotic patients, 10 with mild (Child grade A) and 10 with severe (Child grade C) liver dysfunction, according to a randomized, double-blind, 2-phase, crossover design. In one phase all participants received placebo for 5 days; in the other phase they received 600-mg doses of erythromycin ethylsuccinate, 8 h apart, for 5 days. On day 2 of both phases, quinine sulphate (500 mg) was administered orally 1 h after the morning erythromycin dose. Concentration of quinine and its metabolite 3-OH-quinine were measured by HPLC in plasma and urine up to 96 h. Free quinine concentration was determined in all plasma samples by ultrafiltration.
Results: Erythromycin co-administration significantly reduced quinine clearance in healthy subjects and in patients with mild liver dysfunction (by 33% and 30%, respectively), whereas it had virtually no effect on quinine clearance in patients with severe liver functional impairment. Erythromycin also caused a marked increase in free quinine fraction, particularly in Child class C cirrhotics, in which unbound fraction was almost doubled. At variance with total quinine clearance, unbound clearance was significantly reduced (by 35%) also in patients with severe cirrhosis. Total and unbound formation clearances of 3-OH-quinine were reduced to similar extents (about 60% and 75%, respectively) in the three study groups.
Conclusions: The effect of erythromycin on total quinine clearance is the result of two opposing actions: inhibition of the intrinsic metabolic activity of the liver and increase in free quinine concentration which, in Child C cirrhotics, is such as to completely mask the inhibition of intrinsic clearance. The observation that unbound quinine clearance and 3-OH-quinine formation clearance are inhibited to a very similar extent in controls and cirrhotic patients indicates that, unlike reversible inhibitors, the effect of irreversible inhibitors does not depend on liver functional status.

Abstract (italian)

RIASSUNTO

In questo studio sono stati presi in considerazione gli aspetti farmacocinetici della disposizione metabolica e dell’interazione tra farmaci in caso di compromessa funzionalità d’organo. In particolare sono stati valutati:
1.l’effetto dell’insufficienza renale sul metabolismo epatico dei farmaci;
2.l’effetto dell’insufficienza epatica sulle interazioni farmacocinetiche dovute ad inibizione degli enzimi che metabolizzano i farmaci.


1- Obiettivi: L’effetto dell’insufficienza renale cronica (CRF) sulla farmacocinetica della lidocaina, un farmaco eliminato quasi esclusivamente tramite metabolismo epatico, è stato finora studiato solo nei pazienti sottoposti a regolare emodialisi. Il presente studio si è proposto due obiettivi: (a) esaminare l’effetto della CRF sulla cinetica di disposizione della lidocaina in pazienti sia sottoposti che non sottoposti ad emodialisi e (b) verificare in vitro se il plasma dei pazienti esaminati negli studi clinici o i metaboliti della lidocaina eventualmente accumulati in vivo, hanno un effetto inibitore sulla biotrasformazione del farmaco.
Metodi: La cinetica di disposizione della lidocaina e dei suoi metaboliti farmacologicamente attivi, monoetilglicinaxilidide (MEGX) e glicinaxilidide (GX), è stata valutata in 30 soggetti dopo infusione endovenosa di 1 mg/kg di lidocaina. I soggetti sono stati divisi in quattro gruppi sulla base dei valori della clearance della creatinina (CLcr): gruppo 1, costituito da 15 soggetti sani con CLcr>80 ml·min-1 per 1,73 m2; gruppi 2 e 3, costituiti da 10 pazienti ciascuno, con insufficienza renale moderata (CLcr tra 30 e 60 ml·min-1 per 1,73 m2) e con grave insufficienza renale (CLcr< 30 ml·min-1 per 1,73 m2), rispettivamente; gruppo 4, costituito da 10 pazienti anurici in terapia emodialitica tre volte alla settimana. Sono stati inoltre effettuati degli esperimenti in vitro con microsomi epatici umani (HLM) al fine di valutare l’effetto del plasma dei soggetti esaminati e la possibile inibizione della formazione di MEGX da parte del GX.
Risultati: Nei pazienti non sottoposti a dialisi, i parametri farmacocinetici della lidocaina sono risultati alterati in proporzione al grado di disfunzione renale, ma solo nei pazienti con grave insufficienza renale si sono riscontrate differenze statisticamente significative: la clearance è risultata dimezzata rispetto a quella dei controlli (6.01 ± 2.54 ml/min · kg vs. 11.87±2.97 ml/min · kg; P<0.001), e il tempo di dimezzamento (t1/2) approssimativamente raddoppiato (4.55 ± 1.71 h vs. 2.24 ± 0.55 h, P < 0.001). Nei pazienti sottoposti a dialisi, i parametri farmacocinetici sono risultati invece simili a quelli del gruppo di controllo. Non è stata osservata alcuna variazione del volume di distribuzione allo stato stazionario e dei livelli di MEGX nei quattro gruppi di studio, mentre i livelli di GX sono notevolmente aumentati, rispetto ai controlli (P<0.05), in tutti i gruppi di pazienti nefropatici. L’aggiunta del plasma di ciascuno dei soggetti esaminati nello studio clinico non ha prodotto nessun effetto inibitorio sulla biotrasformazione di lidocaina a MEGX in vitro. Il GX si è comportato come un inibitore competitivo della conversione di lidocaina a MEGX, ma la sua costante di inibizione apparente in vitro (52 ± 6 µmol/l) è risultata di due ordini di grandezza più grande delle sue concentrazioni in vivo.
Conclusioni: I nostri risultati in vivo hanno implicazioni sia cliniche che metodologiche: (1) l’aggiustamento del dosaggio della lidocaina si rende necessario solo nei pazienti con grave insufficienza renale non sottoposti emodialisi; (2) i risultati degli studi che valutano l’effetto della CRF sulla disposizione metabolica dei farmaci possono essere considerati di validità generale solo se vengono analizzati sia pazienti sottoposti che non sottoposti a emodialisi. Le nostre osservazioni in vitro escludono la possibilità che alterazioni della disposizione metabolica della lidocaina siano il risultato dell’inibizione diretta degli enzimi metabolizzanti da parte di metaboliti accumulatisi o tossine uremiche. Sulla base dei risultati di recenti studi in vitro, l’ipotesi più probabile è che le tossine uremiche inibiscano l’espressione genica dei CYP epatici.



2- Obiettivi: L’inibizione in vivo del citocromo P450 (CYP) 1A2 da parte dell’inibitore reversibile fluvoxamina causa una riduzione della clearance dei substrati del CYP1A2, la cui entità diminuisce in proporzione al grado di disfunzione epatica, indipendentemente dalle caratteristiche cinetiche del farmaco coinvolto (clearance dipendente dal flusso o a capacità limitata). Un’importante questione rimane da valutare per appurare se questo è un fenomeno generale, ovvero se l’entità dell’inibizione decresce all’aumentare della disfunzione epatica indipendentemente dal meccanismo dell’inibitore (reversibile o irreversibile). Al fine di risolvere tale questione abbiamo valutato l’effetto della cirrosi epatica sull’inibizione della disposizione metabolica della chinina, substrato modello del CYP3A, da parte dell’inibitore quasi-irreversibile eritromicina.
Metodi: Allo studio hanno preso parte 10 volontari sani e 20 pazienti cirrotici, di cui 10 pazienti con moderata disfunzione epatica (grado A di Child) e 10 pazienti con grave disfunzione epatica (grado C di Child). Il protocollo è stato condotto secondo uno studio a doppio cieco, randomizzato, ripartito in 2 fasi separate da un periodo di due settimane. In una fase, tutti i partecipanti hanno ricevuto placebo per 5 giorni; nell'altra essi hanno ricevuto tre dosi di 600 mg di eritromicina etilsuccinato, ogni 8 ore, per 5 giorni. A tutti i soggetti, il giorno 2, sono stati somministrati oralmente 500 mg di chinina solfato 1 ora dopo la dose di eritromicina (o placebo) della mattina. Le concentrazioni di chinina e 3-OH-chinina nel plasma e nelle urine sono state determinate mediante metodica HPLC, con detector fluorimetrico. Le concentrazioni di chinina libera sono state determinate in tutti i campioni di plasma ottenuti dallo studio clinico, mediante ultrafiltrazione.
Risultati: Si è osservato che la co-somministrazione di eritromicina riduce la clearance della chinina nei volontari sani e nei pazienti con moderata disfunzione epatica (del 33% e del 30%, rispettivamente), mentre sembra non avere alcun effetto sulla clearance della chinina nei pazienti con grave insufficienza epatica. Inoltre l’eritromicina causa un marcato aumento della frazione di chinina libera, soprattutto nei pazienti cirrotici Child C, dove la frazione di chinina libera è più che raddoppiata. A differenza della clearance totale della chinina, la clearance della
chinina libera è risultata significativamente ridotta (del 35%) anche nei pazienti con grave insufficienza epatica. Le clearance di formazione totale e libera della 3-OH-chinina sono risultate ridotte in grado simile (del 60% e del 75%, rispettivamente) in tutti e tre i gruppi di studio.
Conclusioni: L’ effetto dell’eritromicina sulla clearance della chinina plasmatica totale è il risultato di due azioni opposte: inibizione dell’attività metabolica intrinseca del fegato e aumento della concentrazione di chinina libera nel plasma. Nei pazienti cirrotici Child C, l’effetto inibitorio sulla clearance intrinseca risulta completamente mascherato dall’aumento della concentrazione di chinina libera. Il fatto che la clearance della chinina libera e la clearance di formazione della 3-OH-chinina siano inibite in misura assai simile nei controlli e nei pazienti cirrotici indica che l’effetto degli inibitori irreversibili è indipendente dallo stato di funzionalità epatica.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Pegoraro, Paola
Supervisor:Palatini , Pietro
Ph.D. course:Ciclo 21 > Corsi per il 21simo ciclo > FARMACOLOGIA, TOSSICOLOGIA E TERAPIA
Data di deposito della tesi:29 January 2009
Anno di Pubblicazione:29 January 2009
Key Words:cinetica di disposizione dei farmaci - inibizione del metabolismo
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 03 - Scienze chimiche > CHIM/08 Chimica farmaceutica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > pre 2012 - Dipartimento di Farmacologia ed Anestesiologia "E. Meneghetti"
Codice ID:1619
Depositato il:29 Jan 2009
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